碳納米管傳感器方波伏安法檢測環(huán)境水樣中的百草枯

1   實驗部分

1.1 試劑和儀器

    多壁碳納米管（MWNTs，＜10nm；純度＞95%；長度0.5~500μm；深圳納米港有限責任公司），超聲均勻的分散于N，N-二甲基甲酰胺中（DMF,5mg/ml）；百草枯（市售）；H3PO4緩沖溶液（PBS）：用0.1mol/L Na2HPO4 和0.1mol/L NaH2PO4配制。所用試劑均為分析純。水為二次蒸餾水。

循環(huán)伏安法和方波伏安法均在CHI660B電化學工作站上進行（上海辰華，中國）。采用三電極系統(tǒng)：鉑絲電極為對電極，碳納米管修飾電極為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極（SCE）。測試底液位PBS，每次測試前均通氮除氧10min，實驗中保持氮氣氛圍。所有的實驗均在室溫下進行。

1.2 納米傳感的制備

    將玻碳電極（Φ3mm）表面依次用粒度1.0，0.3，0.05μm的氧化鋁粉拋光，再依次用水、乙醇超聲清洗后，在0.1mol/L H₂SO₄中于-1.0~1.5V電位范圍內循環(huán)掃描至電流穩(wěn)定為止。用氮氣將電極表面吹干，用微量注射器吸取2μL的多壁碳納米管DMF溶液（5mg/ml）均勻滴加在潔凈的電極表面，室溫下?lián)]發(fā)溶劑至干。制備好的MWNTs-GC修飾電極保存在4℃下的PBS中。

2   結果與討論

2.1 百草枯在MWNTs-GC電極上的電化學特性

    圖1是百草枯自愛0.1mol/L PBS（pH6.8）溶液中在不同電極上的循環(huán)伏安曲線。在0.0~-1.2V的電位范圍內，百草枯在裸玻碳電極（曲線a）上有一個不可逆的還原峰（Epc=-0.571V）。對MWNTs-GC修飾電極而言，當百草枯的濃度為5.5×10^-7mol/L時，有一對可逆的氧化還原峰（Epc=-0.575V，Epa=-0.657V；第二對峰：Epc=-1.023V，Epa=-0.983V。

    Monk等曾對百草枯的氧化還原反應機理做了研究。從圖1的循環(huán)伏安曲線b可以看出，當溶液中含有少量的百草枯時，△E=54mV（vs.SCE），說明發(fā)生了一個電子轉移的反應，即PQ²⁺→PQ⁺。當溶液中的百草枯濃度增大時循環(huán)伏安曲線又出現(xiàn)了另一對氧化還原峰，還原峰電位E=-1.023V，氧化峰電位E=-0.983V，△E=54mV（vs.SCE），可能是百草枯吸附在電極上所產生的，即PQ⁺+e^-→PQ⁰, PQ⁰+ PQ²⁺→PQ₂²⁺，這種情況與方波伏安實驗結果相一致（圖2）。

 

2.2  百草枯的方波伏安特性

    方波伏安法（SWV）是一種多功能、快速、高靈敏度和高效能的電分析方法，可檢測一切具有氧化還原性質的有機物和無機物。圖2是MWNTs-GC修飾電極在含有不同濃度百草枯的PBS中的方波伏安曲線，溶液中不含有百草枯時，MWNTs-GC修飾電極只在-0.9V處有一肩峰（曲線a）。當溶液中含有少量的百草枯時在-0.588V出現(xiàn)了一個靈敏的峰（曲線b），當百草枯的濃度繼續(xù)增大時在-1.036V又出現(xiàn)了另一個峰（曲線c）。從圖中曲線c可以看出，-0.588V處的方波峰尖銳，對百草枯的響應靈敏，借此可采用方波伏安法來檢測百草枯。

2.3  實驗條件的選擇

2.3.1 測定底液及pH的選擇

    百草枯能穩(wěn)定的存在于酸性或中性環(huán)境中，但是在pH＞12時會發(fā)生水解。分別采用鄰苯二甲酸氫鉀、Na₂HPO₄-檸檬酸、PBS、Na₂HPO₄-檸檬酸、硼砂等作為底液，考察了傳感器對相同量的百草枯在上述底液中的響應電流。結果表明在PBS中的響應電流最大。以下實驗采用PBS為測試底液。當?shù)滓簆H較小時，響應電流隨著pH的增大而增大，在中性底液中達到最大值，在堿性條件下電流值下降很多，故實驗選擇pH為6.8。

2.3.2  碳納米管用量的選擇

    修飾電極的響應電流隨著MWNTs用量的增大而增大，當MWNTs-DMF超過2μL時響應電流開始下降，可能是在不斷增加MWNTs用量的過程中，電極上的活性位點也增加，從而導致響應電流也增高；但當MWNTs濃度再增大時，電極表面上的MWNTs膜增厚，阻礙了電子的傳遞，所以響應電流反而下降，實驗選擇2μL的MWNTs-DMF溶液。

2.3.3  預富集電位及預富集時間的選擇

    考察了預富集電位對百草枯方波伏安響應的影響，在0.1~-0.4V范圍內響應電流隨著預富集電位的負移而增大，可能是由于百草枯帶有正電荷。而電位小于-0.4V時，響應電流開始下降，可能是由于此時接近百草枯的氧化還原電位，少量的百草枯被氧化還原了。故實驗選擇預富集電位為-0.4V。百草枯響應電流隨著預富集時間的增長而增大，但是時間過長百草枯會發(fā)生光分解，所以響應電流下降。故選擇預富集時間為120s。水分測定儀| 濁度計| 色度計| 粘度計| 折射計| 滴定儀| 密度計| 熱流計| 濃度計| 折射儀| 采樣儀|

    在最佳實驗條件下，-0.588V處，百草枯的濃度在5.38×10^-7~2.37×10^-4mol/L范圍內與方波伏安峰電流呈良好的線性關系，檢出限為5.0×10^-7mol/L（3倍信噪比）。

2.4 干擾試驗

    考察了試液中的百草枯濃度為5.0×10^-6mol/L時某些共存的有機化合物如鄰苯二酚，2，4-二氯苯酚以及重金屬離子Ba²⁺，Zn²⁺，K⁺,Ca²⁺對方波伏安法測定百草枯的干擾情況。結果表明，干擾最大的是鄰苯二酚，濃度超過百草枯的100倍就會引起干擾，其次是2，4-二氯苯酚，濃度超過百草枯的300倍將引起干擾。重金屬離子濃度都在1000倍以上才干擾百草枯的測定。故MWNTs-GC修飾電極對百草枯有較好的選擇性。

2.5 樣品分析

    取學校附近郊區(qū)湖水，靜置2h，過濾，用HCl（0.1mol/L）或NaOH（0.1mol/L）調節(jié)pH至6.8，在PBS底液中用方波伏安法檢測實際樣品（n=3）結果如表1。

    從表中可以看出，此湖水中百草枯含量不再此方法的檢測范圍內，說明此湖水似乎沒有被百草枯所污染。

                        表1  樣品分析結果

    試樣1，2為模擬樣品；試樣3，4，5為實際湖水樣品

2.6 傳感器的穩(wěn)定性

    維持試液中的百草枯濃度為8.3×10^-6mol/L，采用方波伏安法用MWNTs-GC修飾電極連續(xù)測定5次，相對標準偏差為1.3%。將測定后的修飾電極保存在0.1mol/L PBS（Ph6.8）中（4℃），一個月后，再用其測定含有8.3×10^-6mol/L的底液，響應電流仍保持原來的95%，說明碳納米管在電極上結合得很牢固，且性質也很穩(wěn)定。